詹姆斯·韦布空间望远镜的近红外相机拍摄的南环星云（左）及中红外仪器拍摄的南环星云（右）。（NASA, ESA, CSA, and STScI/图）
有“史上最强空间望远镜”之称的詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope）自从2021年年底发射升空后，天文学界和公众就在期待它拍摄的首张照片。经过半年多的等待，北京时间2022年7月12日，联合参与该项目的美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）共同发布了詹姆斯·韦布空间望远镜获得的首批全彩图像和光谱数据，标志着这台被寄予厚望的空间望远镜正式开始执行科学任务。
提前预热
7月8日，美国国家航空航天局宣布将在美国东部夏令时间7月12日10:30（北京时间7月12日22:30）发布詹姆斯·韦布空间望远镜获得的首批全彩图像和光谱数据，同时公布了首批拍摄的5个目标：船底星云（Carina Nebula）、系外行星WASP-96 b、南环星云（Southern Ring Nebula）、斯蒂芬五重奏星系群（Stephan’s Quintet）和星系团SMACS 0723。
美国国家航空航天局在发布的新闻稿中表示，首批拍摄的5个目标代表了望远镜为研究4个主要科学目标所进行的初步尝试，这些科学目标包括早期宇宙、星系演化、恒星演化和系外行星。
船底星云是天空中最大、最明亮的星云之一，位于南天球的船底座，距离地球大约7600光年。这个星云是一个新生恒星的摇篮，包含很多质量比太阳大数倍的大质量恒星。
系外行星WASP-96 b是一颗巨大的气态巨行星，质量大约是木星的一半，距离地球约1150光年，公转周期为3.4天。天文学家在2014年宣布发现了这颗行星。詹姆斯·韦布空间望远镜这次拍摄了这颗行星的光谱，以便对它的大气进行研究。
南环星云的编号是NGC 3132，这个行星状星云实际上是围绕一颗死亡恒星的一团膨胀气体云。它的直径约为0.5光年，距离地球大约2000光年。
斯蒂芬五重奏星系群位于飞马座，距离地球大约2.9亿光年。这几个被引力束缚在一起的星系团于1877年被发现，是首个被发现的星系群。
星系团SMACS 0723是一个超大质量星系团。这样大质量的前景星系团能够通过引力透镜效应来放大背景星系中的天体发出的光线，因此能够帮助我们看到极其遥远和暗淡的星系。
这些首批发布的图像和数据具有里程碑意义，因此需要经过精心的选择和慎重的考量。一个由美国国家航空航天局、欧洲航天局、加拿大航天局和空间望远镜科学中心（STScI）的研究人员组成的团队花费超过5年的时间才最终确定了这5个拍摄对象。
在首批图像和数据发布前，詹姆斯·韦布空间望远镜项目科学家埃里克·史密斯（Eric Smith）在美国国家航空航天局官网上这样评价这一成就：“望远镜发布的首批图像将会为我们所有人提供一个特殊的时刻，使我们在一个人类此前从未见过的景色面前驻足惊叹。这些图像将是过去几十年来奉献、才华和梦想的顶点，然而它们仅仅是一个开始。”
詹姆斯·韦布空间望远镜发布的首张照片为星系团SMACS 0723的深场照片。（NASA, ESA, CSA, and STScI/图）
惊艳首秀
在公布将发布首批照片的消息后，美国国家航空航天局又对发布计划进行了调整，首张照片的发布仪式改在美国白宫进行。北京时间7月12日6时10分许，美国总统拜登（Joseph Biden）、副总统哈里斯（Kamala Harris）等人在白宫发布了詹姆斯·韦布空间望远镜拍摄的星系团SMACS 0723的深场照片，这成为这台望远镜正式发布的第一张照片。
这张照片由望远镜携带的近红外相机（NIRCam）拍摄，实际上是由在不同波长拍摄的照片合成而来。詹姆斯·韦布空间望远镜拍摄这张照片花了12.5个小时，而如果是由哈勃空间望远镜拍摄同样的目标，则需要花费数周的时间。
在这张星光璀璨的照片中，有数千个星系分布其中。但实际上，照片所呈现的区域只是整个天区中极其微小的一部分。美国国家航空航天局在官网上表示，这张照片所覆盖的天区的大小只相当于我们把一粒沙子放在一臂以外的距离所看到的大小。
在首批5个拍摄目标中，星系团SMACS 0723能够脱颖而出作为首个发布目标，项目团队自然有其深意。这个星系团距离地球46亿光年，自身巨大的质量产生了引力透镜的效果，放大了背景中距离远得多的星系。詹姆斯·韦布空间望远镜能够看到此前无法观测的遥远星系，而对星系团SMACS 0723的拍摄将是对这一能力的有力证明。天文学家将能够第一次看到这些遥远星系中微小、暗淡的结构，由此可以研究这些星系的质量、年龄、演化历史和组成成分，并最终追踪宇宙中最早的星系。
在星系团SMACS 0723的照片发布后，另外4个拍摄目标的照片和光谱数据则按原计划于北京时间7月12日22:30开始进行发布。由于詹姆斯·韦布空间望远镜是一个由美国国家航空航天局、欧洲航天局、加拿大航天局联合实施的项目，因此这4个目标的发布也在美国、德国和加拿大共同进行。
在发布会上，项目团队先后发布了系外行星WASP-96 b的光谱数据以及南环星云、斯蒂芬五重奏星系群和船底星云的图像。此前，哈勃空间望远镜也曾对除系外行星WASP-96 b外的其他目标进行过拍摄。项目团队在发布会上也展示了哈勃空间望远镜拍摄的图像，从中可以看出詹姆斯·韦布空间望远镜在观测能力上的跃升。
詹姆斯·韦布空间望远镜拍摄的斯蒂芬五重奏星系群。（NASA, ESA, CSA, and STScI/图）
未来可期
詹姆斯·韦布空间望远镜于北京时间2021年12月25日成功发射升空。在此后一个月的时间里，这台望远镜一边飞向距离地球约150万千米的日地第二拉格朗日点，一边完成了堪称有史以来最复杂的太空展开，其中包括打开太阳能电池板和遮阳伞、展开主镜和副镜等。2022年1月25日，詹姆斯·韦布空间望远镜成功实施轨道捕获控制，顺利进入了环绕日地第二拉格朗日点（L2）运行的晕轨道，即工作轨道。
此后，项目团队对望远镜的主镜进行了校准。望远镜主镜由18块六边形的镜面组成，直径达到6.5米，经过折叠才能装入火箭进行发射。主镜在太空中展开后，需要调整18块镜面，拼接成接近圆形的主镜，以利于聚焦形成清晰的图像。与此同时，望远镜还进行了冷却，以达到工作所需的低温。
在望远镜到达工作轨道后，项目团队对望远镜的科学仪器进行了为期3个月的测试。詹姆斯·韦布空间望远镜携带了4台科学仪器，分别是近红外光谱仪（NIRSpec）、中红外仪器（MIRI）、近红外相机（NIRCam）、近红外成像仪和无缝摄谱仪（NIRISS）。这些仪器将帮助科学家以多种方式对宇宙进行观测。
首批图像和数据的发布标志着望远镜正式开始科学观测。在此之前，一些希望使用望远镜进行观测的研究团队已经通过激烈的竞争获得了第一年观测安排中的观测时间。不同的观测计划经过了细致的排期，以确保望远镜的观测时间能得到最充分的利用。
詹姆斯·韦布空间望远镜具有史无前例的强大观测能力，因此自然吸引天文学界的关注，很多天文学家都希望能够使用这台望远镜来研究自己感兴趣的内容。第一年的观测被称作“周期1”（Cycle 1），天文学家可以根据自己的研究计划，提出使用詹姆斯·韦布空间望远镜进行观测的申请。在2020年11月24日的申请截止日时，有来自44个国家的天文学家提交了超过1000个观测申请计划。
观测时间的竞争非常激烈。一个由来自世界范围内的近200位科学家组成的望远镜分配委员会（Telescope Allocation Committee）负责选出研究计划。这些科学家组成了19个涵盖广泛科学领域的专门小组。经过严谨细致的双盲评审，委员会最终选出了观测计划。2021年3月，美国国家航空航天局宣布有286个观测计划入选，这些计划的研究方向非常广泛，包括系外行星、宇宙的大尺度结构、太阳系、恒星物理、星系、星系介质、超大质量黑洞和活动星系核等。
这些观测计划获得总计约6000个小时的观测时间，占望远镜在周期1内的观测时间的2/3，这些观测时间也被称为“常规观测者时间”（General Observer time）。除此之外，在周期1内还有另外两种类型的观测时间：一种是由空间望远镜科学中心和望远镜咨询委员会根据科学目标自由分配的观测时间；另一种是分配给参与望远镜项目、为望远镜研发作出贡献的科学家，这部分时间占据前3年观测时间中的大约16%。
研究团队在发布首批图像和数据前，希望发布的内容既能够展示望远镜强大的设备，又能够预告即将开始的科学任务，他们期待这些内容能使天文学家和公众发出期待已久的欢呼。显然，从发布后的效果来看，他们的预期完全实现。
除了完成预定的观测任务，天文学家还对詹姆斯·韦布空间望远镜有更多的期待。科学探索中既有“已知的未知”，更充满“未知的未知”。以哈勃空间望远镜为例，当它于1990年发射的时候，天文学家还不知道“暗能量”的概念，而如今这是天体物理学中最活跃的领域之一。因此，天文学家期待詹姆斯·韦布空间望远镜在探索宇宙的过程中，将为我们打开更多不曾想过的领域，揭开更多不为人知的秘密。
南方周末特约撰稿 鞠强
